一种多通道uwb生命探测雷达倒形天线阵列的设计与仿真

一种多通道uwb生命探测雷达倒形天线阵列的设计与仿真

1基于多通道超宽谱的生命探测雷达仿真生命勘探雷达是一种特殊的雷达，可以通过非介质检测人体生理指标（呼吸、体动等）。其对被测量对象无任何约束,不需连接接触性电极、传感器等,可隔一定的距离、穿透一定的介质对人体进行探测,所以在民用、军事等领域中具有不可替代的优势。目前的多通道超宽谱生命探测雷达只能够实现对人体目标的距离、方位二维定位,而不能满足当下的应用需求。基于多通道超宽谱雷达平台对多目标三维定位的仿真研究,将有助于扩大生命探测雷达的探测范围,提高探测效率,使得生命探测雷达更具有实用价值和应用潜力。本文提出了一种可对多人体目标进行探测和三维定位的天线阵列结构—倒“T”形天线阵列,并建立了相应的数学模型,通过计算机仿真,验证了该天线阵列的生命探测雷达对多目标进行三维定位的可行性和数学模型的正确性,并得出了相关结论。2天线阵列的三维定位原理根据文献,我们知道要实现目标的三维定位,则天线阵列必须为平面阵或空间阵,考虑空间天线阵的系统结构复杂性和探测时的不便利性,我们采用平面阵列来实现目标三维定位。最简单的平面天线阵列为“L”形天线阵列,如图1所示,为1个发射、3个接收天线组成的3通道天线阵列。“L”形天线阵列只能实现单目标的探测和三维定位,其对单目标的三维定位原理如下:我们知道,对于某一个目标点来说,收发分离的2组天线(2个通道)确定2个椭球方程。而收发一体的天线确定1个球方程,联立3个方程,得方程组(1):式中,;τ1为雷达波从发射天线一目标一接收天线1所经历的时间;a2、b2同样可以求得;R=为雷达波从发射天线一目标一接收天线3所经历的时间;c为雷达波在均匀介质中的传播速度;D为从发射天线到接收天线的距离。解上述方程组便可以解得此目标点的坐标。假定该天线阵列对于双目标(2个目标分别用p和q表示)的探测仍然适用,如图1所示,那么根据超宽谱雷达对探测目标定位的椭球(球)面相交原理,每个通道的探测结果将会有这2个目标各自的距离信息,因而每个通道可以列2个方程,那么3个通道相组合一共有2×2×2=8个三元二次方程。依次解上述方程得到的实数解便为目标位置。2.2天线间距及以指数为标准的伪影产生通过对大量的双目标数据采用“L”形天线阵列模型仿真我们发现:除了能得到实际被探测的2个目标点之外,还会得到其他多余的点,我们将这些得到的多余的点称作“伪影”(虚假目标点);并且伪影的产生与天线间距有关,见表1。我们发现:天线的间距决定椭球的长短轴的大小,因而影响椭球的形状,进而决定椭球的相交时伪影的产生与否。总体来说,天线间距越大,越容易产生伪影。仔细研究空间椭球(球)面相交得到的投影我们不难发现,当椭球之间的大小和距离合适时会出现图2所示的投影。假设图中的黑点表示待探测的2个目标。对于一个目标,通道1、2所确定的椭球相交会确定一条曲线。那么,2个目标确定的2条曲线和通道3所确定的2个球相交便得到8个交点,取天线阵列一侧(另一侧为天线阵后方)得到4个交点,其中2个为目标点,另外2个为伪影。2.3倒“t”形天线阵列对个别目标点的三维定位由于三通道“L”形天线阵列在进行双目标的三维定位时会产生伪影,所以我们增加1个接收天线来区分目标点和伪影,达到校验的目的。具体投影如图3所示,增加一个通道后,伪影得到了消除,2个真实目标被提取出来。增加1个通道后得到如图4所示的四通道倒“T”形的天线阵列。这种天线阵列由1个发射天线和4个接收天线组成(发射天线用“0”标注,接收天线分别用数字“1、2、3、4”来区分),发射天线和每个接收天线组成1个通道,共4个通道。将天线阵列放在空间直角坐标系中,发射天线位于空间坐标系的原点,“1、2、3”等3个接收天线位于坐标轴上且与坐标系原点距离相等。发射天线和“4”号接收天线组成的收发一体天线距离较近,可以近似认为同处于原点位置。由于是对2个目标定位,所以将通道1、2、3所确定的椭球(球)方程组成2×2×2=8个三元二次方程组,将上述方程组得到的实数解代入通道4所确定的2个球面方程,满足球面方程的实数解则为被探测目标的坐标,不满足的则为伪影。由此,三维空间中任意位置的双目标三维定位便可以实现。倒“T”形天线阵列对某个目标点的三维定位是通过下列联立方程组(2)求解完成的:由于a1、b1、a2、b2、a3、b3以及D都可以确定为雷达波从发射天线一目标一接收天线4所经历的时间,解上述方程组便可以解得目标点的坐标。我们采用四通道倒“T”形天线阵列对大量的双目标(目标位置随机)数据进行了定位仿真实验,发现在一定探测范围内,该天线阵列结构对双目标定位的正确率可以达到95%。图5为倒“T”形天线阵列对一组双目标数据的定位结果,共4组实数解,其中(6,-12,-6)和(5,-12,-5)2解为天线面阵后方的目标点(即天线面阵后方的点),予以舍去。通过对大量数据的仿真,我们发现四通道倒“T”形天线阵列能够消除“L”形天线阵列对双目标定位时产生的伪影,从而实现双目标的准确三维定位。3正确探测和定位三目标三维定位也采用四通道倒“T”形天线阵列,每个通道的探测结果都分别含有3个目标的距离信息,因而每个通道能够列写3个方程,那么由通道1、2、3可确定3×3×3=27个三元二次方程。依次解上述方程,将所有实数解代入通道4所确定的3个球面方程,满足球面方程的实数解即为被探测目标位置,不满足的则为伪影,由此实现三目标的正确探测和三维定位。在对大样本量的多目标(双目标和三目标)的三维定位仿真实验中,我们发现:目标正确探测范围与天线间距及运算中采用的有效数据位数这2个因素有关。这里目标正确探测范围定义为:假设这个范围为nm,则表示对于目标数小于等于3,且处于x轴的(-n,n)m,y轴的(0,n)m,z轴的(-n,n)m空间范围内的多目标,该天线阵列及相关方法均能正确探测并给出各目标的准确三维坐标。通过大量的数据仿真,得出了表2所示的正确探测范围与天线间距、数据有效位数之间的关系。从表2我们可以看出:当天线间距选择1.0m(倒“T”形天线阵展开则有2m宽,1m高),数据有效位数选择5位(选择6为有效位数时,现有计算机所需运算时间较长)时,四通道倒“T”形天线阵列可以对单、双、三目标进行准确三维定位,正确探测范围为17m,满足现有的探测需求,其能力也超过了目前生命探测雷达前端硬件所能达到的探测能力。4线阵列的发展对于多目标三维定位的设计具有指导意义通过仿真大量数据,我们得出以下结论:三通道“L”形天线阵列可以对单目标进行三维定位,对双目标进行定位时会出现伪影;四通道倒“T”形天线阵列能够实现双目标和三目标的三维定位并且不会出现伪影。目前,我们在雷达式生命探测领域还未见对于多目标三维定位的相关报道,本